Глава 4 пожарная безопасность и методы расчета электрических сетей

При оценке пожарной опасности наибольшего внимания заслуживают внутренние цеховые электрические сети, так как в них кабели и провода чаще всего располагаются открыто в виде пучков. Основными причинами, приводящими к загоранию горючего материала (изоляция, защитный покров оболочек) кабелей и проводов являются аварийные режимы работы электрооборудования. Например, возникновение КЗ сопровождается выбросом зажигающих частиц в виде горящих или расплавленных капель металла токопроводящих элементов. Токовая перегрузка кабелей и проводов, большие переходные сопротивления в местах их соединений, ответвлений и подключений к клеммным устройствам машин, аппаратов, светильников и других устройств приводят к перегреву токопроводящих жил и загоранию горючего материала (см. п. 1.3).

Наличие электрической защиты, выбранной в соответствии с нормами и правилами, не всегда гарантирует безопасное протекание аварийных режимов при появлении источника зажигания. Тем более, что, например, автоматические выключатели имеют надежность от 0,85 до 0,95. Кроме того, защитные характеристики автоматических выключателей и плавких предохранителей имеют значительный разброс, что в ряде случаев не позволяет обеспечить время срабатывания защиты до появления пожароопасных факторов (зажигающих частиц, нагрева проводников, воспламенения газообразных продуктов разложения изоляции и т.п.). С учетом большой протяженности сетей от них, как показывает статистика, происходит до 50 % случаев загораний и пожаров.

4.1. Нагрев проводников электрическим током

Пожарная безопасность электрических сетей определяется рядом факторов: соответствием марки проводника и способа прокладки характеру и свойствам окружающей среды, в том числе и ее пожаровзрывоопасности; соответствием сечения проводников токовой нагрузке; выбором номинальных параметров аппаратов защиты от токов перегрузки и коротких замыканий; соблюдением требований монтажа, эксплуатации и т.д.

Важным фактором обеспечения пожарной безопасности электрических сетей является допустимый нормами уровень нагрева проводников. Температура проводника, длительное время не находящегося под нагрузкой током, равна температуре окружающей среды. Если такой проводник нагрузить током неизменной величины I, его температура начнет увеличиваться и постепенно достигнет установившейся величиныt_у, соответствующей токуI.

Представим отрезок провода, в котором с момента  = 0 появился токI. Примем температуру среды равной нулю и рассмотрим превышение температуры проводаt() над температурой среды, т.е. перегрев провода. Тогда за времяdв проводнике, имеющем активное сопротивлениеr, выделится тепловая энергияQ_выд=I²rd.Часть этой энергииQ_нагрбудет затрачена на нагревание провода, другая частьQ_расбудет путем лучеиспускания с поверхности провода, конвекции и теплопроводности рассеяна в окружающую среду:

Q_нагр=cmdt,

где с– теплоемкость провода, Дж/(кг);m– масса провода, кг;

Q_рас=td,

где – коэффициент теплопередачи, Вт/ (м²С).

Тогда получаем Q_выд=Q_нагр+Q_расили

I²rd =сmdt + td.(4.1)

Разделив обе части уравнения (4.1) на d, будем иметь однородное дифференциальное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами

I²r = P = cm(dt/d) + t.(4.2)

Корень характеристического уравнения kполучаем из выражения

cmk +  = 0

или

k = - (/cm).

Общее решение запишется так:

t₁() =Ae^-(/cm),

где Аесть постоянная интегрирования, подлежащая определению.

Частное решение или установившийся перегрев получаем из уравнения (4.2), приравняв dt/d = 0 (нет изменения перегрева).

Тогда t₂=t_у=P/.

Итак, получаем:

t() = t₁+t₂= Ae^{-(/cm )}+ (P/). (4.3)

При = 0 перегрев равен нулю и из уравнения (4.3) имеем:

А + Р/ = 0 или А = - Р/.

Таким образом, окончательно

t₁ =t() = (P/) - [(P/)e^-(/cm)] = (P/)[1-e^-(/cm)]

или

t() =t_y(1-e^-/T), (4.4)

где Т =cm/- постоянная времени нагрева проводника. Если=Т, за это время перегрев достигнет 0,632t_у. Постоянную времени можно представить как время, в течение которого провод нагрелся бы до установившейся температурыt_у, если бы рассеяние тепла в окружающую среду отсутствовало. ЗначенияТдля некоторых типов проводников и условий прокладки приведены в литературе.

Этот процесс роста превышения температуры проводника от нуля до t_уможет быть представлен кривойОВД(рис. 4.1), уравнение которой имеет вид (4.4). По мере роста превышения температуры проводника отдача тепла в окружающую среду возрастает (криваяОВД), поэтому процесс повышения температуры все больше замедляется и наконец наступает момент, когда разница между количеством тепла, отдаваемым поверхностью проводника в окружающую среду, и теплом, выделяемым в проводнике, становится неизменной. Следовательно, с достаточной точностью можно считать температуру нагреваемого проводника установившейся, если времяравно от 4 до 5Т.

Рис. 4.1. Зависимость нагрева и охлаждения однородного проводника по формуле (4.4)

Если с проводника снять нагрузку I, превышение температуры проводника начинает понижаться от установившегося значенияt_у и постепенно достигает нуля. Этот процесс охлаждения может быть изображен кривойДЕ. Таким образом, можно аналитически и графически представить изменение превышения температуры проводника при любой переменной нагрузке.

Для длительного режима работы, при котором допускаемый нагрев проводников обычно невелик, можно без заметной погрешности считать, что сопротивление проводника и коэффициент теплопроводности – величины постоянные. Но при увеличении температуры проводника увеличивается и его сопротивление. Следовательно, увеличивается и количество выделяющегося в нем тепла, хотя ток остается неизменным. Однако при повышении температуры проводника увеличивается перепад между температурой проводника и температурой среды, а это улучшает способность поверхности проводника рассеивать тепло (повышает коэффициент теплопроводности). В итоге увеличение количества выделяющегося тепла в определенной мере компенсируется увеличением теплоотдачи. При этих условиях установившееся превышение температуры проводника зависит только от тока и может быть определено выражением

t_у = t_у.н (I/I_доп)², (4.5)

где t_у.н – допустимое превышение температуры, принятое по нормам ПУЭ для расчета длительно допустимого тока I_доп, С; I – фактический ток, А.

Допустимое превышение температуры, принятое в ПУЭ при вычислении I_доп, определяется по формуле

t_у.н=t_ж.н–t_ср.н, (4.6)

где t_ж.н – длительно допустимая температура жил проводников по нормам, С; t_ср.н – расчетная температура среды по нормам, С.

Чтобы обеспечить нормальный режим работы провода или кабеля, соединительных контактов и изоляции, а также пожарную безопасность, нагрев проводников ни при каких условиях не следует допускать выше температур, указанных в табл. 4.1. Нагрев проводников должен соответствовать данным табл. 4.1, даже и в том случае, когда расчетом установлено, что относительное старение изоляции за весь рассматриваемый период не выходит за пределы допустимого (не превышает единицы). При больших температурах могут быстро ухудшаться контакты, что обусловливает значительные переходные сопротивления и недопустимо большие местные нагревы. Все это приводит к резкому снижению механической прочности проводников, их устойчивости к КЗ, порче изоляции и ее воспламенению.

Таблица 4.1

Вид и материал проводника	Длительно допустимая температура жил по нормам tж.н, С	Кратковременно допустимая температура жил при перегрузках tп, С	Максимально допустимое превышение температуры жил по нормам при токе КЗ tу.н, С
Шины и голые провода: медные алюминиевые Кабели с бумажной пропитанной изоляцией при напряжении: до 3 кВ до 6 кВ до 10 кВ Кабели и провода с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией	70 70 80 65 60 65	125 125 125 100 90 110	300 200
			С медными жилами	С алюминиевыми жилами
			200 200 200 150	150 150 200 150

Таблица 4.2

Место прокладки проводника	Температура среды по ПУЭ,С
Открытая и защищенная прокладка проводов, кабелей и шин в воздухе (внутри помещений) Один кабель с бумажной изоляцией при прокладке непосредственно в земле с удельным сопротивлением 120 Омсм (тепловых) То же, в земле (в трубах) Кабели с бумажной изоляцией независимо от их числа при прокладке непосредственно в воде	25 15 25 15

Расчетные температуры среды t_ср.н, принятые в ПУЭ для определения длительно допустимых токов в проводниках в различных условиях их прокладки, приведены в табл. 4.2. Пользуясь табл. 4.2 и установившимся превышением температуры проводникаt_у, подсчитанным по формуле (4.5) для нагрузки, отличной от длительно допустимой по нормам, можно определить фактическую температуру нагрева проводника

t_ж =t_у +t_ср.н. (4.7)

Расчеты по формулам (4.5) и (4.7) действительны для проводников с иной изоляцией и для иных температур среды, например для стран с тропическим климатом.